基于高斯和柱矢量光束光镊的微纳粒子光学捕获及操控

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光镊是利用高度聚焦的激光微束形成的光学梯度力势阱来实现对微纳量级粒子的捕获与操控的技术，它所产生的皮牛量级的力正好适用于操控微纳量级的粒子。随着光镊技术的发展，它已经广泛应用在物理学、生物医学、化学以及精密加工等领域。随着这些领域的发展，人们对光学捕获和操控的效率、范围和精度等不断提出新的要求。本论文就是以满足这些新要求为目标，对粒子的精确定向操控、角向操控，以及多粒子的集体操控和分立操控等进行了相关研究，并引入新的捕获光模式，优化光镊系统性能。
　　聚焦光斑形状和偏振状态是影响粒子定向操控的主要因素，本论文通过调整聚焦光斑形状和捕获光偏振态实现了三维方向上对粒子的定向操控，尤其是对生物粒子的定向操控。圆形光斑可以操控圆柱状粒子(生物粒子大肠杆菌和碳纳米管)使其完成竖直取向，而线形光斑可以操控圆柱状粒子使其水平取向。对于具有电学各向异性的粒子而言，如碳纳米管，其在光阱中的取向还受线偏振方向的影响。通过调节线偏振方向，能够按特定方式排列多根碳纳米管，使其沉积在衬底上并组装成固定结构。此外，利用激光携带能量这一特点，还成功地实现了对菲醌(PQ)的诱导定向生长。
　　通过引入不同捕获光，改变捕获光强度分布等方法研究捕获光性质对光镊性能的影响。本论文利用液晶偏振转换器实现了两种具有特殊偏振和强度分布的柱矢量光束——方位角偏振光束和径向偏振光束，从理论和实验上分析了它们的聚焦特性。方位角偏振光束聚焦后整个聚焦场都是横向分布，轴上光强为零，形成中空环形光斑；而径向偏振光束则形成实心聚焦光斑，其尺寸小于一般高斯光束的聚焦光斑。将方位角偏振光束、径向偏振光束和高斯光束作为捕获光引入光镊系统，首次搭建了捕获模式间可互相切换的新型三模式光镊系统，分别测量了三种捕获模式下光镊系统的轴向和横向捕获效率。实验结果显示：径向偏振捕获光的轴向捕获效率依次大于方位角偏振光束和高斯光束，而横向捕获效率刚好相反，高斯捕获光带来的横向捕获效率依次大于方位角偏振光束和径向偏振光束。基于方位角偏振光束中空环形聚焦光斑的独特性，利用方位角偏振捕获光束分别实现了微米量级金属粒子的稳定捕获和对粒子位置的精细调控，扩大了光镊操控粒子的范围以及控制粒子的精度，并证明了方位角偏振捕获光的使用可以有效减少光镊对所操控粒子的热损伤。
　　利用光束的角动量实现了对粒子的角向操控，并研究了引起光致旋转的机理及影响旋转速度的因素。自旋角动量引起的光致旋转可以使粒子获得较高的转速，通过调控激光功率可以控制粒子的旋转速度，溶液粘滞系数和粒子的几何尺寸也是影响旋转速度的重要因素。而轨道角动量引起的光致旋转则可以带动多粒子共同旋转。随后，我们提出了利用主动粒子带动从动粒子旋转和定向的新方法，并成功运用该方法实现了生物粒子大肠杆菌和碳纳米管的旋转。此外，根据其中一种主动粒子 Rubrene微粒特有的荧光性质，提出了分选和操控其他荧光微粒的构想。
　　采用传统单光阱光镊系统实现了微米量级和纳米量级多粒子的集体捕获和操控，其中纳米粒子的聚集数量的动态变化过程是由粒子极性和热扩散情况决定的。此外还实现了多个粒子的聚集翻转。提出利用棱镜对生成一维光束阵列(包括一维中空光束阵列和一维线形阵列)的简单、廉价的实验方法，并利用其作为光源构建了新型的多光阱光镊系统，初步实现了多粒子的分立捕获和操控。

著录项

作者
李雪璁;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科光学
授予学位博士
导师姓名孙秀冬;
年度 2010
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类激光物理和基本理论;
关键词
光镊; 柱矢量光束; 定向操控; 角向操控; 多粒子操控;

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